IEEE 802.11ah關鍵技術分析與應用

唐振中　鄭思　張靜

摘? 要：隨著我國科學技術的進步，對IEEE 802.11ah技術的要求越來越高。802.11ah是IEEE針對物聯網應用需求而制定的一種低頻段、低消耗的無線局域網絡技術，該種技術的覆蓋面很廣，能夠容納很多的節點，對于提高網絡速度具有很好的優勢。文章針對IEEE 802.11ah技術的內涵及其應用優勢、IEEE 802.11ah的關鍵技術、IEEE 802.11ah性能評估、IEEE 802.11ah的實際應用等幾個方面展開探討，從而為IEEE 802.11ah技術的實際應用提供一定的參考價值。

關鍵詞：IEEE;802.11ah;物聯網;關鍵技術;功率管理

中圖分類號：TD76? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0146-02

Abstract： With the progress of science and technology in our country， the requirement of IEEE 802.11ah technology is higher and higher. 802.11ah is a low frequency and low consumption wireless local area network technology developed by IEEE for the application needs of the Internet of things. This technology has a wide coverage and can accommodate a lot of nodes， which has a good advantage for improving the speed of the network. This paper discusses the connotation and application advantages of IEEE 802.11ah technology， the key technology of IEEE 802.11ah， the performance evaluation of IEEE 802.11ah， the practical application of IEEE 802.11ah and so on. So as to provide a certain reference value for the practical application of IEEE 802.11ah technology.

Keywords： IEEE; 802.11ah; Internet of things; key technology; power management

引言

隨著國家物聯網技術的飛速發展，物聯網技術已經成為現代的新興產業之一，各個行業都不斷推進物聯網技術的發展，將物聯網技術應用于實際的生產過程中，推動了不同產業的快速發展，為人們的生活帶來了極大的便利。根據現代物聯網技術特點，IEEE及其他國際組織正在不斷推進新的網絡技術研究，開發1GHz以下頻段的物聯網技術應用，該技術應用是以802.11ah協議為標準，能夠支持成千上萬個節點，同時具有靈活的速率和長時間的續航能力。在現代智能網絡通信技術背景下，為了適應大數據、智能監測、智能交通等多種互聯網技術應用的需求，802.11ah采用了多種關聯技術以實現降低網絡能耗、擴大網絡覆蓋范圍，能夠大范圍的容納多節點的目標。802.11ah作為互聯網技術新的網絡技術協議標準，在網路技術的物理層中采用的是OFDM技術，可以增強802.11ah物理層通訊匹配技術。

1 IEEE 802.11ah技術概述

IEEE 802.11ah技術是2016年3月發布的一種無線局域網的物理層和媒體接入控制層協議，能在低于1GHz（750MHz-930MHz）免許可的頻段內運行的新型WLAN系統標準。該技術又被稱為Wi-Fi Hallow，能在1公里范圍內實現不小于100Kbps的數據傳輸速度，并且該技術的覆蓋范圍和傳輸速度相較與現行的WSN技術都更具優勢，并且能耗更低。IEEE 802.11ah技術自身的特性如下：（1）網絡最大節點數為8191個;（2）室外的傳輸距離可達1公里并且數據傳輸速度不小于100Kbps;（3）數據包尺寸約為100字節，相對較短，且數據包采用間歇傳遞;（4）能耗極低，電池壽命達1年乃至數年，終端設備性價比高。

IEEE 802.11ah技術優勢主要體現在以下幾個方面：（1）數據傳輸距離更長，網絡覆蓋范圍更廣。與現行Wi-Fi 802.11使用的2.4GHz和5GHz頻段相比，802.11ah采用更低的頻段（小于1GHz）在相同的發射功率下，數據傳輸的距離更遠，最大可達1公里，而現行的Wi-Fi技術最大的數據傳輸距離僅為100m，該技術的傳輸距離是現行技術的10倍。（2）數據的貫穿性更好，適合在室外應用。與現行的2.4GHz和5GHz頻段相比，802.11ah采用更低的頻段（小于1GHz）能提高信號的繞射能力，因此數據具有更強的穿墻和穿過建筑物的能力，可將通信從室內擴展到室外，極大的提高數據穿透障礙物的能力。（3）能耗更低。與現行的2.4GHz和5GHz頻段的wifi技術相比，802.11ah具有超低的能耗和長達數年的電池使用壽命，這也直接決定了一款電子產品的使用壽命和用戶體驗。802.11ah技術的低能耗一方面是因為其工作頻段低;另一方面是因為新設計了低功耗、多節點的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），并對其數據包長度和長睡眠時間進行了優化。

2 IEEE 802.11ah關鍵技術分析

2.1 PHY層

802.11ah與現代的網絡協議最大的差別就是將該種頻段頻率下降至900MHz，整個802.11ah的網絡控制原理如圖1所示。由于每一種網絡的工作頻段不同，802.11ah的PHY層與其他網絡協議完全不兼備。

每一個國家對802.11ah網絡頻帶的信道劃分不相同，從而使網絡的信道分配也不一樣。為了使整個網絡具有更高的吞吐量，802.11ah保留了802.11n和802.11ac所用的信道綁定方法，使用多個相鄰的較窄信道組成了更寬的信道。802.11ah使用的是基于OFDM形式的波形傳播方式，包括了多種音頻和子載波，支持多種調制方式。

2.2 MAC層

與網絡的PHY層相比較，802.11ahMAC層相對于其他網絡層次的改動較小，主要是引入了一些能夠增強網絡功能特性的新的幀結構，主要目的是增加節點的數目以此來提高網絡的節電效能，從而能夠更好地實現媒體的訪問機制及能夠增加網絡的吞吐量。

3 性能評估

基于IEEE 802.11ah性能評估主要體現在功率管理、傳輸距離以及吞吐能力三個方面。IEEE 802.11ah協議的功率管理主要體現在兩個方面，即蘇醒和休眠狀態。網絡狀態處于蘇醒狀態時能夠接收各個站點發送的數據信息，可以接收和發送數據，而處于休眠狀態的數據不能夠接收和發送數據。網絡系統中各個站點可以處于兩種工作模式即活躍模式和省電模式，處于活躍狀態下的站點一直是處于蘇醒狀態的，而處于省電模式下的站點是處于蘇醒和休眠兩種交替狀態來達到對互聯網系統的管理。IEEE 802.11ah引入了幾種網絡優化技術，首先是節點的最長休眠時間的擴展，該種模式下，站點的休眠時間當超過最長的空閑時間后，AP將會解除站點的關聯方式。第二種優化技術是采用TIM分段處理，TIM分段機制是將TIM所攜帶的信息分割成若干片段，并將不同片段的信息進行分別發送。TIM分段處理數據的擴展性較好，能簡單地實現數據的傳輸，維護網絡系統的開銷也較小。第三種優化技術就是TWT及TWT同步，該種技術能夠允許AP為站點并為其安排允許的喚醒時間，使系統中的站點在不同的時間段醒來，從而可以降低系統中站點對網絡的競爭，達到最低能耗的輸送信息。傳輸距離是評價在相同的傳輸功率下不同頻帶和環境下網絡的傳輸距離。IEEE 802.11ah的吞吐能力是基于信道訪問和高速幀交換的RAW以及緊湊幀的格式，對網絡的吞吐能力進行評估。

4 實際應用

采用IEEE 802.11ah技術能夠將接入點AP放在室內，比如感受溫度的溫度傳感器、智能電表、光線傳感器等大量的現代傳感設備可以布置在屋內，采用IEEE 802.11ah技術能夠很好地實現網絡之間的傳輸和控制，使各個家電設備之間實現電氣的智能化傳輸。

通過仿真技術分析可以得到，采用IEEE 802.11ah技術的網絡傳輸系統其傳輸距離相對于傳統技術較遠，消耗的能耗較低，采用IEEE 802.11ah技術的網絡傳輸系統其吞吐能力較強，傳輸速率較快，數據傳輸穩定，出現極少的數據重傳現象，能耗較低，整個系統的電池壽命較長，所以采用IEEE 802.11ah該種技術對網絡傳輸具有十分重要的積極意義。

5 結論

隨著對互聯網的應用越來越廣泛，提高互聯網傳輸數據的穩定以及低消耗、信號覆蓋面廣是未來互聯網技術的發展方向，這也將促進互聯網技術的飛速發展。IEEE 802.11ah技術憑借其自身的信號傳輸穩定、覆蓋面廣等優勢將作為未來互聯網技術的發展方向，在未來的互聯網發展中占據一席之地，為未來的互聯網技術發展指明了方向。

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